三相桥式整流电力课程设计.docx

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三相桥式整流电力课程设计

第一章绪论

1.1设计目的

1、通过对三相桥式电路的设计，掌握整流电路的工作原理，提高我们的运用科学理论知识能力、操作实践能力；

2、通过系统建模和仿真，掌握和运用MATLAB/SIMULINK工具分析系统的基本方法

1.2设计任务

制定设计方案，使用SIMULINK建立三相桥式整流电路的模型，正确选择合理器件并进行参数设置，仿真获得的三相桥式整流电路在电阻负载和阻感负载情况下不同触发角时对应电压电流的波形；

1.3MATLAB简介

MATLAB是矩阵实验室的简称。

除具备卓越的数值计算能力外，它还提供专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功能。

MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成的事情简捷的多。

并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。

在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++，JAVA的支持。

可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以使用。

MATLAB有着强大的功能，可以用来进行多种工作，具体如下：

数值分析、数值和符号计算、工程与科学绘图、控制系统的设计与仿真、数字图像处理技术、数字信号处理技术、通讯系统设计与仿真、财务与金融工程等。

MATLAB的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。

附加的工具箱（单独提供的专用MATLAB函数集）扩展了MATLAB环境，可以解决这些应用领域内特定类型的问题。

1.4Simulink的发展及应用

Simulink是Matlab软件下的一个附加组件，是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的MATLAB软件包。

支持连续、离散以及两者混合的线性和非线性系统，同时它也支持具有不同部分拥有不同采样率的多种采样速率的仿真系统。

在其下提供了丰富的仿真模块。

其主要功能是实现动态系统建模、方针与分析，可以预先对系统进行仿真分析，按仿真的最佳效果来调试及整定控制系统的参数。

Simulink仿真与分析的主要步骤按先后顺序为为:

从模块库中选择所需要的基本功能模块，建立结构图模型，设置仿真参数，进行动态仿真并观看输出结果，针对输出结果进行分析和比较。

Simulink模块库提供了丰富的描述系统特性的典型环节，有信号源模块库（Source）,接收模块库（Sinks），连续系统模块库（Continuous），离散系统模块库（Discrete），非连续系统模块库（SignalRouting），信号属性模块库（SignalAttributes），数学运算模块库（MathOperations），逻辑和位操作库（LogicandBitOperations）等等，此外还有一些特定学科仿真的工具箱。

Simulink为用户提供了一个图形化的用户界面（GUI）。

对于用方框图表示的系统，通过图形界面，利用鼠标单击和拖拉方式，建立系统模型就像用铅笔在纸上绘制系统的方框图一样简单，它与用微分方程和差分方程建模的传统仿真软件包相比，具有更直观、更方便、更灵活的优点。

不但实现了可视化的动态仿真，也实现了与MATLAB、C或者FORTRAN语言，甚至和硬件之间的数据传递，大大扩展了它的功能。

第二章主电路设计与元件选择

2.1主电路原理

主电路原理图如图2-1所示，将其中阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1、VT3、VT5）称为共阴极组；阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4、VT6、VT2）称为共阳极组。

习惯上希望晶闸管按从1至6的顺序导通，为此将晶闸管按图示的顺序编号，即共阴极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT1、VT3、VT5，共阳极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT4、VT6、VT2。

通过调节触发电路的控制电压

改变晶闸管的控制角

，从而改变输出电压

和输出电流

对负载进行控制。

图2-1主电路原理图

2.2三相桥式整流电路的工作特点

三相桥式全控整流电路的一些特点如下：

（1）每个时刻均需两个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，其中一个晶闸管是共阴极组的，一个是共阳极组的，且不能为同一相的晶闸管。

（2）对触发脉冲要求：

6个晶闸管的脉冲按VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6的顺序，相位依次差60o；共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120o，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120o；同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180o。

（3）整流输出电压

一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。

（4）需保证同时导通的两个晶闸管均有脉动，可采取两种方法：

一种是宽脉冲触发，一种是双脉冲触发。

（5）晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也与三相半波时一样。

2.3三相桥式整流电路定量分析

（1）当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载

时）的平均值为：

（1）

（2）带电阻负载且

时，整流电压平均值为

（2）

输出电流平均值为

（3）

2.4晶闸管的选择

合理选择整流晶闸管的主要参数是晶闸管的额定电压和额定电流。

选用时，额定电压要留有一定的安全裕量，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的2～3倍，即

（4）

其中，

为电路中晶闸管可能承受的电压峰值，对于三相全控整流电路：

（5）

可得：

（6）

第三章保护电路设计

在电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适、驱动电路设计良好外，采用合适的过电压保护、过电流保护也是很重要的。

3.1过电压保护电路设计

电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内因过电压两类。

外因过电压主要来自雷击哈系统中的操作过程等外部原因，包括操作过电压、雷击过电压；内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，包括换项过电压和关断过电压。

交流侧过电压一般都是外因过电压，一般用RC过电压抑制电路抑制外因过电压。

通常是在变压器次级（元件侧）并联RC电路，吸收变压器铁心的磁场释放的能量，并把它转化为电容器的电场能而储存起来。

串联电阻是为了在能量转换过程中可以消耗一部分能量并且抑制LC回路可能产生的振荡。

当整流器容量较大时，RC电路也可以接在变压器的电源侧。

其电路图如图4-1所示。

图4-1阻容过电压保护电路

3.2过电流保护电路设计

电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。

过电流分为过载和短路两种情况。

一般电力电子装置均同时采用几种过电流保护措施，以提高保护的可靠性和合理性。

通常，电子电路作为第一保护措施，快速熔断器仅作为短路时的部分区段的保护，过电流继电器整定在过载是动作。

采用快速熔断器是电力电子装置中最有效应、应用最广泛的一种过电流保护措施。

本设计采用快速熔断器来实现晶闸管过电流保护。

电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过流保护。

采用快速熔断器是电力电子装置中最有效，应用最广的一种过电流保护措施。

在选择快熔时应考虑：

（1） 电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。

（2） 电流容量应按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式来确定。

快熔一般与电力半导体器件串联连接，在小容量装置中也可以串接与阀侧交流母线或直流母线中。

（3） 快熔的I²t值应小于被保护器件的允许I²t 

第四章仿真设计与参数整定

4.1仿真元件的选择

需要启动电力系统元件库，单击开始按钮（start）,依次选择simulink、SimPowerSystem。

弹出电力系统元件库对话框如图4-1。

图3-1元件库

4.2常数发生器设置

找出

，触发角

使用一个常数发生器设置，数值设置分别为0°、30°、60°、90°，如图3-2；

图4-2常数发生器参数设置

4.3交流电压源设置

从

找到

元件，并进行参数设置，对相位角进行参数修改，如图4-3；

图4-3交流电压源参数

4.4晶闸管元件设置

从

找到

，并进行参数修改，如图4-4；

图4-4晶闸管参数

4.5同步6脉冲发生器元件设置

从

找到

，并进行参数修改，如图4-5；

图4-5同步6脉冲发生器参数

4.6仿真参数设置

设置时间为0.0到0.1之间，在电路图菜单中选择仿真菜单，弹出仿真参数对话框，进行如图4-6的参数修改；

图4-6仿真参数

第五章仿真结果分析

5.1三相桥式整流电路模型

5-1三相桥式整流电路模型

5.2仿真结果

1.电阻性负载时，触发角分别为0°、30°、60°、90°时不同仿真图形；

（1）

=0°时，如图5-2；

图5-2触发角

=0°输出电压波形

（2）

=30°时，如图5-3；

图5-3触发角

=30°输出电压波形

（3）

=60°，如图5-4；

图5-4触发角

=60°输出电压波形

（4）

=90°，如图5-5

图5-5触发角

=90°输出电压电流波形

以上仿真波形图可知改变不同的触发角，输出电压波形也随之改变，当

=0°时，输出电压波形与三相半波时电压波形一致；当

=30°时，晶闸管起始导通时刻推迟了30°；当

=60°时，电压波形向后移，出现为零的点；当

=90°时，输出电压波形每60°中30°为零，若

角继续增大至120°，输出电压全为零，所以电阻负载是的

角的移相范围是0°～120°。

2.阻感性负载时，触发角分别为0°30°、60°、90°时，输出电压及电流的波形的仿真结果如下图所示。

（1）

=0°时，如图5-6；

图5-6触发角

=0°输出电压电流波形

（2）

=30°时，如图5-7；

图5-7触发角

=30°输出电压电流波形

（3）

=60°，如图5-8；

图5-8触发角

=60°输出电压电流波形

（4）

=90°，如图5-9；

图5-9触发角

=90°输出电压电流波形

以上仿真波形图可知改变不同的触发角，输出电压波形也随之改变，当

时，

波形连续，电路的工作的情况与带电阻负载时十分相似，阻感负载时，由于电感的使用，使得负载电流波形变得平直；当

时，由于电感作用，输出电压波形会出现负的部分，所以

角的移相范围为0°～90°。

结论

通过仿真和分析，可知三相桥式全控整流电路的输出电压受控制角α和负载特性的影响，本设计中应用MATLAB的可视化仿真工具SIMULINK对三相桥式全控整流电路的仿真结果进行了详细分析，并与相关文献中采用常规电路分析方法所得到的输出电压波形进行比较，进一步验证了仿真结果的正确性。

采用MATLAB／SIMULINK对三相桥式全控整流电路进行仿真分析，避免了常规分析方法中繁琐的绘图和计算过程，得到了一种直观、快捷分析整流电路的新方法。

应用MATLAB／SIMULINK进行仿真，在仿真过程中可以灵活改变仿真参数，并且能直观地观察到仿真结果随参数的变化情况。

本学期对电力电子基础知识学习以及此次为期两周的课程设计，让我对这门学科有了更好的的掌握，在实际的过程中，培养我的综合运用知识和实践的能力，也使我对仿真的操作有了一定的认识和掌握

致谢

对于这次设计，我们要做很多的准备工作。

首先，是对知识的了解，感谢老师给我们讲解了上机过程，让我们直接的对最基本的知识点有了了解。

然后就是自己进行设计，在这一阶段，老师用大量的时间进行指导，指出我们在设计中存在的问题，并细心指导我们如何去修改错误,将实训完善,做到精益求精。

在这段时间的实训中，老师不辞辛苦的为我们讲解和指导实训的有关知识，让我对实训内容有了更深刻的了解，她认真工作的态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我，我还要感谢在一起愉快的度过此次实训的同学们，在与同学们的讨论中，我才能不断发现自己的错误。

同时，正是由于我们之间很好的合作才能使我们成功解决设计中存在的问题。

在这里我还要感谢我的同学们，在我需要帮助的时候是他们给予了我帮助，能够让我很好的完成的这次实训，在与同学们的讨论中，我不断发现自己的错误，并且努力改正，争取做到完美。

参考文献

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